桥梁颤振气动导数在均匀流与紊流作用下的统一辨识理论研究

桥梁断面颤振气动导数的准确识别是桥梁空气动力稳定性研究的基础,一直是桥梁风工程研究领域的前沿课题。基于工况模态分析理论,本文首先导出了紊流条件下桥梁颤振气动导数辨识的完整方法;其次,将上述数据处理方式运用到由均匀流条件引起的自由衰减振动中,得出与紊流情况类似的结果。本文提出的方法能够用同样的辨识原理、同一个数据处理程序统一地对紊流和均匀流下的桥梁气动导数进行辨识;最后,利用数值仿真算例验证上述理论。     

紊流对悬索桥动力特性的影响

文章研究了在风激励下,风中紊流对悬索桥动力特性的影响.悬索桥被处理为一个同时存在有两个相互耦合的振动模态的线性结构.当风高速吹桥时,风中的紊流可认为是一个宽带噪声,因此系统的响应是一个近似的马尔柯夫过程.运用随机平均法,可解出一组伊藤统计微分方程——从而确定系统运动稳定性条件.与只考虑一个振动模态的数学模型相比,本文结论更接近于实验结果.     

振型节线角度对舵面颤振稳定性的影响

针对舵机支撑刚度支持下的舵面结构,建立了广义气动力与舵面前两阶局部刚化模态振型节线角度关系的表达式,分析广义气动力随振型节线角度的变化规律,根据Routh-Hurwitz稳定性判据研究振型节线角度对颤振临界动压的影响．研究结果表明：舵面前两阶局部刚化模态振型节线处于相对“横平竖直”的状态时,前两阶模态经由广义非定常气动载荷引起的耦合较弱,舵面的颤振临界动压较高．     

外挂物对大展弦比直机翼颤振特性的影响

为提高带外挂物大展弦比直机翼的颤振速度,基于假设模态法提出一种带集中质量弯扭组合梁模态分析手段,结合片条理论考察外挂物不同质量及布置形式对机翼颤振特性的影响。首先,基于弯扭组合梁建立带外挂物大展弦比直机翼的结构动力学模型,并利用假设模态法得到其弯曲和扭转模态。其次,引入片条理论近似计算有限翼展升力面的气动力,调整外挂物的质量、数目及其在机翼展向和弦向的相对位置,得到外挂物对机翼颤振特性的影响规律。最后,利用在机翼前缘附近悬吊小质量外挂物可提高机翼颤振速度的优势,探究颤振速度恢复方法并提出颤振速度恢复的优化问题,使得携带外挂物的机翼与不携带外挂物的机翼颤振速度基本相同。研究结果表明,外挂物的不同悬挂方式可引起机翼颤振模态的跳转,在以俯仰为颤振主模态的机翼上可调整外挂物位置以恢复原机翼的颤振速度。     

高超声速舵面颤振的数值模拟影响因素研究

针对某高超声速舵面颤振风洞试验模型开展了数值模拟研究,采用多种气动力模型和耦合迭代策略,研究对颤振预测结果的影响。计算结果表明,采用三阶活塞理论、统一升力面理论、Euler方程和N-S方程的颤振动压预测结果较接近,与试验值误差均在7%以内。采用时域方法计算时,松耦合方法的误差较大,超过15%。同时还发现,支撑机构会带来激波边界层干扰效应,一定程度上提高了颤振动压,考虑该因素的预测结果与试验值更接近。     

机翼刚心位置对回转颤振稳定性边界的影响分析

基于哈密顿原理,建立了适合快速开展回转稳定性设计参数评估的倾转旋翼/短舱/机翼多体气弹耦合动力学分析模型,并通过参数影响分析,获得机翼刚心位置前移有利于提高倾转旋翼机回转颤振稳定性边界的重要结论。所建立的分析方法和获得的结论,对工程设计具有重要的指导意义,可以在机翼气动外形约束条件下,通过调整机翼内部结构特性,合理将机翼的刚心位置向机翼前缘移动,达到提高该构型飞行器回转颤振稳定性裕度的目的。     

复合材料层合板的颤振特性及振动抑制研究

研究了超声速流中压电复合材料层合板的颤振特性及振动抑制方法。采用一阶活塞理论计算了超声速流场中的气动压力,基于经典层合板理论和Hamilton原理推导了压电复合材料层合板的动力学模型,设计了滑模观测器以减少观测溢出,通过Lyapunov方法证明观测器的稳定性,应用观测状态设计了LQR控制器,讨论了几何参数、铺设角度对压电复合材料层合板颤振特性的影响,利用SIMULINK仿真求解了层合板的脉冲响应,验证了控制器的有效性。结果表明,合理规划层合板的几何参数和铺设角度可提高系统颤振稳定性,滑模观测器能够较为准确地追踪原始系统且具有良好的鲁棒性,LQR控制可以在一定范围内消除层合板的颤振点,并且能够有效地控制压电复合材料层合板在颤振边界处的振动,Q矩阵越大,振动控制效果越好,压电层厚度越大,LQR控制效果越好。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响

应用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一. 将主梁、索与阻尼器组合起来作为一个振动体系,通过理论分析与试验研究相结合的方法初步研究了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响. 建立了由索、梁和Kelvin阻尼器组成的简化理论模型; 设计了索、梁和阻尼器组合系统的简化力学试验模型; 详细研究了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响. 理论与试验分析结果表明: 对于容易发生索、梁耦合振动的拉索,主梁振动明显降低拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,需考虑主梁参与振动的影响.      

基于分形导数对非牛顿流体层流的数值研究

非牛顿流体具有复杂的流变特性,揭示该流变特性可以更加合理地指导非牛顿流体在工农业生产中的应用.经典的非牛顿流体本构模型往往形式复杂,仅能应用于某些特定的情况.分数阶导数模型具有参数少和形式简单的特点,己成功地应用于描述非牛顿流体的运动.Hausdorff分形导数作为一个备选的建模方法,相比分数阶导数具有更简单的形式以及更高的计算效率.本文基于Hausdorff分形导数改进现有牛顿黏性模型,提出分形黏壶模型.通过研究分形黏壶在常应变率下表观黏度的变化情况,以及在加、卸载条件下的蠕变及恢复特性,发现分形黏壶模型适合于描述具有黏弹性的非牛顿流体(本文称之为分形流体).结合连续性方程及运动微分方程,推导出分形流体在平行板间层流的基本方程.按是否拖动上板和是否存在水平的压力梯度分为3种工况,分别用数值方法计算这3种工况下流速在板间的分布及其随时间变化的情况.通过分析不同工况下的流速分布,发现水平的压力梯度会改变流速随时间变化的形状,且会推迟流速到达稳定的时间.在水平压力梯度不存在的情况下,不同阶数的分形流体具有相同的流速分布或是演变过程.另外,在水平压力梯度存在的情况下,上板速度不影响不同阶数分形流体间稳定速度的差值.     

湍流参数影响下高层建筑风压的不确定性研究

极值风压是高层建筑围护结构抗风设计的依据,本文利用挡板和粗糙元模拟出《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)规定的C类风场,以此为基准,保持湍流度基本不变,减小湍流积分尺度得到CL1、CL2风场;保持湍流积分尺度基本不变,增大湍流度得到CI风场。在4类风场下对高层建筑模型均进行了500次重复采样试验,通过试验研究了湍流参数影响下高层建筑风压不确定性的基本规律,并确定了满足工程应用的极值风压所需的采用次数。结果表明,湍流度的增大导致高层建筑极值风压的变异系数增大,而湍流积分尺度对极值风压的变异系数的影响基本可以忽略;风压的变异系数达到稳定所需的样本数量主要取决于采样顺序,与湍流参数没有关联性;按《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068-2018)的规定,活荷载的分项系数取1.5,以1.5作为目标分项系数,4类风场下均只需单次采样即可获得稳定的极值风压。     

主动控制翼板抑制悬索桥颤振的研究

主动控制翼板是一种新型桥梁气动措施。本文基于非定常气动力理论，推演了安装主动控制翼板后作用在整个桥梁主梁单位长度上气动力表达式，从增加系统扭转阻尼的角度，研究了翼板主动扭转振动参数的选取。在此基础上，对某大跨悬索桥方案进行了二自由度颤振分析，结果表明：合理选取翼板的主动扭转振动参数，主动控制翼板能够有效地提高该桥的颤振稳定性。     

Reynolds Number Effect on the Grid Turbulence Degeneration Law

A comprehensive experimental investigation of the effect of the Reynolds number on the degeneration law for turbulence generated by biplanar and wicker grids is carried out over a wide range of the grid geometry parameters and the flow velocity. It is established that an increase in the flow velocity leads to an increase in the turbulence intensity at a given distance from the biplanar grid and a decrease in the turbulence decay rate downstream of the grid. An empirical relation between the turbulence intensity behind the grid, on the one hand, and the relative distance x/M from the grid and the Reynolds number based on the grid rod diameter and the flow velocity at the grid mesh center, on the other hand, is proposed. For the same relative distance x/M from the grid the intensity of wicker-grid turbulence is higher than in the case of the flow past a biplanar grid.     

宾汉流体物性参数对湍流强度影响的研究

考虑宾汉流体本构关系的特点，建立了适用于宾汉流体的修正动量方程和Ｋτ－ετ模型方程。采用压力耦合半隐式ＳＩＭＰＬＥ算法，通过流场的数值计算研究，指出了宾汉流体本身的物性参数（如屈服应力、塑性粘度）对其湍流强度有着重要影响。     

On the Decay of Turbulence in the 20-Liter Explosion Sphere

The transient flow field in the standard 20-liter explosion sphere was investigated by means of laser Doppler anemometry. Velocities were measured at various locations within the flow field, and this information was used to quantify the transient behavior of the root-mean-square of the velocity fluctuations and to investigate the spatial homogeneity and the directional isotropy of the turbulence. The investigation involved the transient flow fields generated by the three most widely used dust dispersion systems, namely, the Perforated Dispersion Ring, the Rebound Nozzle, and the Dahoe Nozzle. With all three dispersion dust devices, the decay of turbulence could be correlated by a decay law of the form

磁场对不同温度场中输流悬臂碳纳米管动态特性的影响

本文在采用经典欧拉-伯努利梁模型的基础上,引入考虑小尺度效应的非局部弹性理论,着重研究不同温度场中输流悬臂单层碳纳米管系统（SWCNT）在外加纵向磁场作用下的颤振失稳问题。基于哈密顿原理获得了该流固耦合系统的振动控制方程及相应的边界条件,应用微分变换法（DTM法）求解此高阶偏微分方程,通过数值计算研究了不同温度场中施加纵向磁场对系统动力学特性的影响。结果表明：施加纵向磁场在不同温度场中都将增强输流悬臂碳纳米管的动态稳定性。然而,这种增强程度却与温度场的变化量有关,在不同温度变化量下,磁场对系统稳定性的增强程度有一个峰值,这意味着,实际应用中,为了提高这类流固耦合系统的动态稳定性,一味提高纵向磁场强度并不可取。     

Influence of Initial Conditions on the Postcritical Behavior of a Nonlinear Aeroelastic System

The behavior of a nonlinear, non-Hamiltonian system in the postcritical (flutter) domain is studied with special attention to the influence of initial conditions on the properties of attractors situated at a certain point of the control parameter space. As a prototype system, an elastic panel is considered that is subjected to a combination of supersonic gas flow and quasistatic loading in the middle surface. A two natural modes approximation, resulting in a four-dimensional phase space and several control parameters is considered in detail. For two fixed points in the control parameter space, several plane sections of the four-dimensional space of initial conditions are presented and the asymptotic behavior of the final stationary responses are identified. Amongst the latter there are stable periodic orbits, both symmetric and asymmetric with respect to the origin, as well as chaotic attractors. The mosaic structure of the attraction basins is observed. In particular, it is shown that even for neighboring initial conditions can result in distinctly different nonstationary responses asymptotically approach quite different types of attractors. A number of closely neighboring periodic attractors are observed, separated by Hopf bifurcations. Periodic attractors also are observed under special initial conditions in the domains where chaotic behavior is usually expected.     

Active damping of the forced vibration of a hinged beam with piezoelectric layers,geometrical and physical nonlinearities taken into account

The problem of forced vibration of a hinged beam with piezoelectric layers is solved. Issues of mechanical and electric excitation of vibration and the possibility of damping mechanically induced vibration by applying a voltage to the electrodes of the piezolayers are studied. The effect of the physically nonlinear behavior of the passive layers on the response of the sensor layer and entire structure and the effect of geometric nonlinearity on the behavior of the structure and sensor layer are analyzed. The interaction of physical and geometrical nonlinearities for transient and stationary processes is studied Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 45, No. 1, pp. 118–136, January 2009.     

用子波分析能量最大准则修正检测壁湍流猝发的mu-level法

将壁湍流脉动速度信号子波分析技术引入壁湍流相干结构猝发检测的研究,基于子波分析能量最大准则确定相干结构猝发的时间尺度,对能量最大时间尺度的子波系数进行子波逆变换,获得能量最大时间尺度的脉动速度信号。根据其自相关函数的波长确定相干结构的平均猝发周期;根据能量最大时间尺度的子波系数的正极大值和负极小值检测壁湍流喷射和扫掠事件,获得壁湍流相干结构喷射和扫掠事件的相位平均波形。该方法可以不需要确定门限值,有效排除了小尺度脉动的干扰。     

桥梁节段模型气弹振动的非线性判别方法研究

在ERA(Eigensystem Realization Algorithm)的理论框架内建立了误差因子,评估桥梁节段模型风洞实验中气动导数的辨识质量。通过子空间能量分解,分别计算辨识过程中有效识别信号成分能量和未被识别信号成分能量与总信号能量的比值,并以此构造误差因子。将相同实验环境下自由衰减振动和尾流激励随机振动两组实验的误差因子相互比对,判断桥梁节段模型的气弹振动非线性是否对气动导数辨识结果产生影响。依据误差因子判断,在本文所使用的两种节段模型中,部分流线型箱梁断面具有较强的耦合非线性;而槽形开口型断面的模型具有较低的耦合非线性。